1

Лекция 5

Основные этапы изготовления ПП

Механическая обработка включает раскрой листового материала (чаще всего из фольгированного диэлектрика) на полосы, получение из них заголовок, выполнение фиксирующих и других технологических, переходных и монтажных отверстий, получение чистового контура ПП. Размеры заготовок определяются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие (базовые) отверстия для базирования деталей в процессе изготовления и тестовые элементы. Ширина технологического поля не превышает 10 мм для ОПП и ДПП (для МПП 20…30 мм). Для малогабаритных плат с размерами до 100 мм изготавливают групповые заготовки в виде листа

(фольгированного или нефольгированного диэлектрика) площадью не менее 0,05 м2 с учетом расстояний 5…10 мм между ними.

Выбор методов и средств получения заготовок определяется типом производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фик-сирующих отверстий на технологическом поле. В качестве инструмента применяют вырубные штампы, рабочие элементы которых изготовлены из инструментальных легированных сталей марок Х12М и Х12Ф1 или металлокерамического твердого сплава марок ВК15 и ВК20. Стойкость штампов из инструментальной стали при вырубке заготовок из гетинакса толщиной 1,5 мм составляет 8…10 тыс. ударов, а при вырубке из стеклотекстолита

– – 1,5 …2 тыс. ударов.

Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают разрезкой на одно- и многоножевых роликовых или гильотинных ножницах. Применяемые ножи должны быть установлены параллельно друг другу с минимальным зазором 0,01…0,03 мм по всей длине реза.

Фиксирующие отверстия диаметром 4…6 мм выполняют штамповкой или сверлением с высокой точностью (0.01…0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в которых точность достигается применением кондукторов, или специальное полуавтоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневматическую установку штифтов, фиксирующих пакет. Операцию выполняют спиральными сверлами из быстрорежущей стали или твердых сплавов при скорости 30…50 м/мин и подаче 0,03…0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих отверстий достигается их развертыванием при скорости 10…30 м/мин и ручной подаче инструмента.

Аналогичными способами выполняют и другие технологические отверстия, но к точности их обработки не предъявляются такие жесткие требования, как к точности обработки фиксирующих отверстий. Монтажные и переходные отверстия получают также штамповкой и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его диаметр составляет не менее 1 мм. Правильный выбор зазоров между рабочими частями штампа, их размеров и геометрии, а также усилий при штамповке позволяет свести к минимуму образование трещин на материале и расслоений. Если плата имеет высокую плотность коммутации, большое количество отверстий и ее топология разрабатывалась с малым шагом координатной сетки, то при получении отверстий используют последовательную их пробивку на нескольких штампах. Применение универсальных штампов, в которых необходимое количество отдельных пуассонов набирается в специальном трафарете, делает процесс штамповки экономичным в условиях мелкосерийного производства.

Подлежащие металлизации монтажные и переходные отверстия обрабатывают с высокой точностью на специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. Эти станки имеют координатный стол с автоматической системой позиционирования,

2

сверлильные шпиндели с бесступенчатым регулированием скорости и систему ЧПУ позиционного типа. Повышение производительности при сверлении достигается увеличением числа оборотов шпинделя и количества синхронно работающих сверлильных шпинделей, групповой обработкой пакета заготовок, автоматической сменой сверл по ходу технологического процесса и при их поломке, выбором оптимальной траектории движения заготовки по отношению к инструменту. Оптимальная частота вращения шпинделя составляет 45000…120000 обор./мин, скорость резания 25…50 м/мин при числе двойных ходов до 200 в минуту. Это предъявляет повышенные требования к жесткости конструкции, уровню температурных деформаций и износоустойчивости узлов трения.

Для обработки отверстий, подлежащих металлизации, используются специальные спиральные сверла из металлокерамических твердых сплавов ВК6М или ВК8М. Их стойкость при обработке фольгированных стеклотекстолитов составляет 3000…7000 тыс. отверстий, а при наличии лакового покрытия на ПП стойкость инструмента уменьшается в 2 – 3 раза. Номинальное значение диаметра сверла выбирают исходя из соотношения

dсв = d + 0,7(δ1 +δ2 ),

где d −номинальный диаметр отверстия, мм; δ1 − допуск на этот диаметр, мм; δ2 −допусти-

мое уменьшение диаметра обрабатываемого отверстия после охлаждения слоистых пластиков, мм.

Применяемые для обработки твердосплавные спиральные сверла характеризуются: опти-

мальным углом при вершине 120…1300 ; углом подъема спирали 15…300 ; полированными поверхностями спиральных канавок; радиальным биением рабочей части относительно хвостовика не более 0,01 мм; наличием в рабочей части обратной конусности в пределах 0,02…0,03 мм; острыми режущими кромками с радиусом скругления 8 мкм без выкрашивания и завалов; симметричным расположением режущих кромок относительно оси рабочей части.

Повышение температуры в зоне обработки при сверлении слоистых пластиков приводит к наволакиванию размягченной смолы на кромки фольги (или края отверстий), препятствующему последующей металлизации отверстий. Для устранения этого недостатка применяют охлаждающие агенты, не содержащие смазок (воду, водяной туман, очищенный сжатый воздух и др.); двойное сверление; наложение на поверхность платы металлических (алюминиевых) листов; сверла с дополнительными режущими кромками, направленными в сторону, противоположную основной, и т.п. Однако, все перечисленные способы оказываются малоэффективными в условиях массового производства. Процесс лазерного фрезерования хотя и устраняет наволакивание смолы, но не исключает ее стеклование на поверхности стенок отверстия. Наиболее эффективным средством устранения наволакивания признана последующая гидроабразивная очистка.

Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гильотинных ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием. Для исключения повреждения поверхностей заготовок, при групповой их обработке, между отдельными заготовками прокладывают картон, а пакет помещают между прокладками из листового гетинакса.

В последнее время для чистовой обработки все чаще применяют контурно-фрезерные многошпиндельные станки с ПЧУ, которые обеспечивают хорошее качество кромок ПП и точность размеров в пределах ± 0,025 мм, позволяют обрабатывать внешние и внутренние контуры за одно крепление, характеризуются высокой производительностью (1500…2000плат/ч) и надежностью. Они снабжены устройствами для автоматической смены фрез, защитными скафандрами для ограждения оператора от шума, пыли и стружки при обработке, бесступенчатым регулированием частоты вращения инструмента в диапазоне 15…60 тыс.обор./мин (например, станок модели AKF24).

3

Подготовительные операции предназначены для обеспечения качества при выполнении основных процессов формирования электропроводящих элементов ПП и перед формированием различных покрытий. Они включают очистку заготовок (в том числе отверстий в них) от окислов, жировых пятен, смазки, пленок и других загрязнений; активирование поверхностей проводящего рисунка; специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества подготовки. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку (активирование) проводят механическими, химическими, электрохимическими, плазменными методами и их сочетанием. Выбор технологического оборудования для подготовительных операций определяется серийностью производства.

Механическая подготовка в условиях мелкосерийного производства осуществляется вручную смесью венской извести и шлиф-порошка под струей воды. Механизированные и автоматические конвейерные линии применяют в условиях крупносерийного и массового производства. Инструментом на этих линиях служат абразивные круги, капроновые или нейлоновые щетки, на которые подается абразивная суспензия, либо круги из нетканого нейлона, насыщенные мелкодисперсным порошком карборунда или алунда, которые для устранения перегрева обильно смачиваются водой.

Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений широко применяются установки гидроабразивной обработки. В них платы со скоростью 0,2…0,4 м/мин проходят рабочую промывную камеру (в которую через инжекторные форсунки, под давлением 0,5…0,7 МПа подается суспензия из абразивного порошка (24А, 63С) и воды) и сушильную камеру (в которой просушка осуществляется сжатым воздухом).

Ручная химическая и электрохимическая подготовка поверхности проводится в ваннах с различными растворами при покачивании заготовок и последующей их промывкой, а механизированная – на автооператорных линиях модульного типа по заданной программе.

Высокое качество и производительность обеспечивает плазменная очистка объектов производства, которая устраняет использование токсичных кислот, щелочей и их вредное воздействие на обслуживающий персонал, материалы обработки и окружающую среду. Современные установки плазмохимической обработки с программным управлением, предназначенные для удаления диэлектрика с торцевых участков отверстий, обычно состоят из реактора, мощного ВЧ-генератора, устройства контроля и управления параметрами процессов, вакуумного насоса. Давление в камере (реакторе) поддерживается на уровне 20…40 Па. Плазмообразующий газ, состоящий из кислорода (70%) и тетрафторметана (30%), подается в

камеру со скоростью 600…900 см3 /мин. Мощность ВЧ-генератора регулируется в диапазоне 0…4000 Вт, а частота составляет 13,56 МГц. На такой установке одновременно обрабатывается до 15 объектов размером 45×60 см, содержащих в каждом из них до 3000 отверстий. Длительность операции очистки пакета – 10…16 мин.

Специальная обработка диэлектрического материала (при изготовлении ПП с химически осаждаемой металлизацией) заключается в его подтравливании и придании шероховатости для увеличения прочности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной обработкой сначала в серной кислоте, а затем в пл авиковой

или в их смеси (5:1) при температуре 50…600 С. Скорость травления составляет 40…80 мкм/мин. После обработки заготовки нейтрализуют в растворе щелочей и тщательно промывают.

Увеличение шероховатости диэлектрических поверхностей и клеевых композиций (слоев адгезива, например, в виде акрилбутадиенстирольного каучука) достигается механической (гидроабразивной) или химической обработкой.

Контроль качества подготовки металлических поверхностей заготовок ПП оценивают по полноте смачивания их водой. Состояние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерением высоты микронеровностей, проведением пробной металлизации и оценкой прочности ее сцепления с основанием, а также измерением сопротивления изоляции после пребывания объекта производства в камере влажности.

4

К подготовительным операциям относятся упаковка заготовок (полуфабрикатов) или готовых ПП на автоматическом оборудовании путем размещения их между слоями полиэтиленовой пленки, которая при тепловой обработке заваривается с четырех сторон, образуя герметичную упаковку.

Металлизация (то есть создание на диэлектрическом основании слоя металла, чаще всего меди) в производстве ПП является одним из самых важных технологических этапов, так как во многом определяет электрофизические характеристики и надежность ЭУ, обеспечивает требуемую плотность коммутационных элементов и, тем самым, плотность монтажа ячеек ЭВС. Самая простая технология металлизации диэлектриков – это фольгирование (например, плакированием слоистых пластиков медной фольгой), поэтому большинство исходных материалов для производства ПП представляют собой фольгированные диэлектрики. Однако, фольгирование не обеспечивает металлизации отверстий (переходных, монтажных) и необходимую плотность коммутации в соответствии с современными требованиями к ПП, что стимулировало появление других технологий металлизации (табл.5.1), причем комбинация химической и гальванической технологий осаждения меди (см. технологии 1 и 2, табл.5.1) оказалась наиболее пригодной (в смысле технологической совместимости) для изготовления ПП и некоторых МПП на основе фольгированных слоистых пластиков.

Таблица 5.1. Сравнительная характеристика технологий получения металлических покрытий